Hvordan perler opnår præcision i nanoskala

I forskning, der kunne informere fremtidige højtydende nanomaterialer, har et University of Michigan-ledet team for første gang afsløret, hvordan bløddyr bygger ultraholdbare strukturer med et niveau af symmetri, der overgår alt andet i den naturlige verden, med undtagelse af individuelle atomer.

"Vi mennesker, med al vores adgang til teknologi, kan ikke lave noget med en arkitektur i nanoskala så indviklet som en perle," sagde Robert Hovden, UM-assistentprofessor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og forfatter på papiret. "Så vi kan lære meget ved at studere, hvordan perler går fra uordnet intet til denne bemærkelsesværdigt symmetriske struktur."

Analysen er lavet i samarbejde med forskere ved Australian National University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Western Norway University og Cornell University.

Udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , fandt undersøgelsen ud af, at en perles symmetri bliver mere og mere præcis, efterhånden som den bygges, og besvarer århundreder gamle spørgsmål om, hvordan lidelsen i dens centrum bliver en slags perfektion.

Lag af Nacre, den iriserende og ekstremt holdbare organisk-uorganiske komposit, der også udgør skallerne af østers og andre bløddyr, bygger på et skår af aragonit, der omgiver et organisk center. Lagene, som udgør mere end 90 % af en perles volumen, bliver gradvist tyndere og matcher tættere, efterhånden som de bygger ud fra midten.

Det måske mest overraskende fund er, at bløddyr opretholder symmetrien af ​​deres perler ved at justere tykkelsen af ​​hvert lag af perlemor. Hvis et lag er tykkere, har det næste en tendens til at være tyndere og omvendt. Perlen, der er afbildet i undersøgelsen, indeholder 2.615 fint afstemte lag af Nacre, deponeret over 548 dage.

"Disse tynde, glatte lag af Nacre ligner lidt sengetøj med organisk materiale imellem," sagde Hovden. "Der er interaktion mellem hvert lag, og vi antager, at denne interaktion er det, der gør systemet i stand til at korrigere, mens det går."

Holdet afslørede også detaljer om, hvordan interaktionen mellem lag fungerer. En matematisk analyse af perlens lag viser, at de følger et fænomen kendt som "1/f-støj", hvor en række begivenheder, der ser ud til at være tilfældige, er forbundet, med hver ny begivenhed påvirket af den før den. 1/f-støj har vist sig at styre en lang række naturlige og menneskeskabte processer, herunder seismisk aktivitet, økonomiske markeder, elektricitet, fysik og endda klassisk musik.

"Når du kaster terninger, for eksempel, er hvert kast fuldstændig uafhængigt og afbrudt fra hvert andet kast. Men 1/f-støj er forskellig ved, at hver begivenhed er forbundet," sagde Hovden. "Vi kan ikke forudsige det, men vi kan se en struktur i kaosset. Og inden for den struktur er der komplekse mekanismer, der gør det muligt for en perles tusindvis af lag af perlemor at smelte sammen mod orden og præcision."

Holdet fandt ud af, at perler mangler ægte langrækkende orden - den slags omhyggeligt planlagt symmetri, der holder de hundredvis af lag i murstensbygninger konsekvente. I stedet udviser perler mellemrækkende orden og bevarer symmetri i omkring 20 lag ad gangen. Dette er nok til at bevare ensartethed og holdbarhed over de tusindvis af lag, der udgør en perle.

Holdet samlede deres observationer ved at studere Akoya "keshi" perler, produceret af Pinctada imbricata fucata østers nær Australiens østlige kystlinje. De valgte netop disse perler, som måler omkring 50 millimeter i diameter, fordi de dannes naturligt i modsætning til perledyrkede perler, som har et kunstigt center. Hver perle blev skåret med en diamantwiresav i sektioner, der målte tre til fem millimeter i diameter, derefter poleret og undersøgt under et elektronmikroskop.

Hovden siger, at undersøgelsens resultater kan hjælpe med at informere næste generations materialer med præcist lagdelt nanoskalaarkitektur.

"Når vi bygger noget som en murstensbygning, kan vi bygge i perioder gennem omhyggelig planlægning og måling og skabeloner," sagde han. "Bløddyr kan opnå lignende resultater på nanoskalaen ved at bruge en anden strategi. Så vi har meget at lære af dem, og den viden kan hjælpe os med at lave stærkere, lettere materialer i fremtiden." + Udforsk yderligere

Nyt materiale efterligner styrke, sejhed af perlemor